O guia definitivo para tipos de codificadores: Do controle de movimento ao aprendizado de máquina

Introdução: O que são codificadores e por que você precisa deles?

A tecnologia moderna é uma dança complicada em que a precisão é a chave. Sejam os braços robóticos que estão montando smartphones ou os algoritmos que lhe dizem o que comprar em seguida, a capacidade de perceber, interpretar e agir com base nos dados de forma responsiva é o que faz a diferença entre o sucesso e o fracasso. A unidade central dessa precisão é o codificador. Essencialmente, um codificador é um dispositivo, um sensor ou um algoritmo que altera o formato das informações de uma coisa para outra. Essa definição é imprecisa, mas é aplicada de uma maneira muito específica e forte.

No sentido físico da engenharia e da automação, um codificador é um componente eletromecânico que converte o movimento mecânico, ou movimento, por exemplo, um eixo em um sistema de automação, como a rotação do eixo do motor, ou o movimento linear de um componente, em um sinal elétrico. O sinal fornece informações de feedback sobre a posição, a velocidade, a direção ou a contagem do eixo, permitindo que as máquinas funcionem de forma altamente controlada e precisa. O bom funcionamento das máquinas CNC, a automação de transportadores e os robôs complexos não teriam sido possíveis sem o uso de codificadores. Eles desempenham um papel fundamental nas máquinas contemporâneas, pois fornecem os órgãos dos sentidos no controle de atividades inteligentes por meio de diferentes aplicações e em diferentes condições do ambiente.

O algoritmo para a conversão de dados (ou seja, variáveis categóricas, por exemplo, vermelho, verde, azul) em uma representação numérica que pode ser lida e analisada por modelos de aprendizado de máquina é chamado de codificador no contexto digital da ciência de dados e do aprendizado de máquina. Essa transformação é um princípio fundamental para preparar os dados para serem analisados, permitindo que os algoritmos vejam alguns padrões e façam previsões.

Portanto, o conhecimento das variedades de codificadores não é apenas teórico. É uma necessidade essencial de engenheiros, cientistas de dados, desenvolvedores e integradores de sistemas. O tipo de codificador, desde um dispositivo real usado com um motor até um método de software usado com um conjunto de dados, tem influência direta sobre o desempenho, a confiabilidade e a eficiência desse sistema. Este guia abordará o microcosmo do cenário de codificadores e desmistificará as tecnologias usadas, além de permitir que você tome decisões informadas sobre o aplicativo de sua escolha.

Diferentes tipos de codificadores: Visão geral e principais diferenças

O mundo dos codificadores é basicamente separado em dois universos diferentes: os codificadores de ciência de dados e os codificadores físicos que medem o movimento. Suas formas são diferentes e diferem absolutamente em suas funções, embora compartilhem um nome e um princípio central como a conversão.

Os codificadores físicos são codificadores de hardware que devem medir o movimento. Eles são os sentidos que atuam como feedback em milhares de máquinas automatizadas. A principal diferença nesse grupo está relacionada ao tipo de movimento que eles computam:

• Codificadores rotativos: O objetivo desses dispositivos é medir os movimentos rotacionais. Eles são apoiados em um disco rotativo, por exemplo, um eixo de motor, e produzem um sinal de saída relacionado à posição angular ou à velocidade do eixo. Na prática, eles podem ser encontrados em todos os lugares no controle rotacional.
• Codificadores lineares: Os codificadores lineares, ao contrário, medem o movimento linear. Eles são um transdutor (ou cabeçote de leitura) e uma escala que mede a posição relativa como um movimento ao longo de uma distância especificada. Eles desempenham funções muito importantes, como em máquinas-ferramentas, impressoras 3D e máquinas de medição por coordenadas (CMMs).

Codificadores de ciência de dados Processos algorítmicos usados no pré-processamento de dados como parte de um fluxo de trabalho de aprendizado de máquina. Eles têm como objetivo transformar os dados não numéricos em uma representação numérica, na qual os modelos matemáticos podem ser aplicados. Os mais importantes são:

• Codificadores categóricos: Esses algoritmos utilizam variáveis, que são categóricas. Exemplos típicos de codificação são a One-Hot Encoding ou codificação em que um valor binário é introduzido por coluna por classificação e outra é a Label Encoding em que cada classificação recebe um código distinto. A seleção de uma técnica aqui é baseada na natureza dos dados e nas necessidades do modelo de aprendizado de máquina.
• Aprendizado de recursos Codificadores (por exemplo, Autoencoders): Codificadores de aprendizado de recursos (por exemplo, autoencodificadores): São construções de redes neurais mais avançadas que buscam encontrar representações compactadas eficientes dos dados. Um autoencodificador compreende um codificador que transforma as quantidades de entrada em um espaço latente de baixa dimensão e um decodificador que reconstrói as quantidades originais no espaço de entrada por meio de uma transdução da relação comprimida entre as quantidades de entrada e a representação comprimida. Eles podem ser aplicados em tarefas como redução de dimensionalidade, extração de recursos e detecção de anomalias.

Reconhecer o conceito nessa divisão de nível é a etapa inicial. No caso do engenheiro, as opções estão entre vários graus de sensores físicos em termos de movimento, tecnologia e saída. Para os cientistas de dados, o principal dilema é qual algoritmo servirá para a representação mais adequada de seus dados em um modelo.

Codificadores rotativos: A solução de controle de movimento mais comum

Em última análise, nenhum dispositivo é mais fundamental ou de maior alcance do que um codificador rotativo no que diz respeito ao controle de movimento. Sua aplicação é importante: realimentar em tempo real a posição angular, a velocidade e a direção de um eixo rotativo. Essa é a parte central de qualquer sistema de controle de malha fechada, pois permite que uma peça de maquinário adapte dinamicamente sua operação para atingir parâmetros exatos. Quer se trate dos movimentos micro-or de um braço robótico ou da velocidade acima da média de uma máquina de embalagem, o codificador rotativo é fundamental para a execução perfeita dos comandos.

Os codificadores rotativos em automação e robótica são essenciais demais para serem subestimados. Eles permitem que o sistema de controle de um motor garanta que o eixo tenha atingido o ângulo correto, que a velocidade de rotação esteja em um nível ideal e que esteja indo na direção certa. Isso é o que é necessário na automação para garantir a repetibilidade, a precisão e a segurança. Os sistemas sem essa resposta eficaz teriam que operar em “circuito aberto”, de fato estimando que seus comandos foram obedecidos, o que é inviável em qualquer sistema de alta precisão.

Codificadores absolutos vs. incrementais: Qual deles atende às suas necessidades?

Entre a classe de codificadores rotativos (e lineares), talvez uma das diferenças mais significativas seja a de absoluto versus incremental. A seleção de um deles depende diretamente do fato de a aplicação exigir informações posicionais, especialmente a inicialização do sistema e a perda de energia.

Os codificadores incrementais são os cavalos de batalha de vários sistemas de controle de movimento. Eles operam por meio de uma série de pulsos que são produzidos continuamente à medida que o eixo gira. Em geral, possuem dois canais de saída (A e B), 90 fora de fase, o que permite que o sistema de controle decida para que lado deve ser girado. Esses pulsos também podem ser chamados de número de pulsos e, medindo-os, o sistema pode deduzir as posições relativas e a velocidade. Mas um codificador incremental pode dizer a si mesmo que se moveu e a que distância; ele não sabe onde está. Como resultado, nessas aplicações, na inicialização ou após uma perda de energia, o sistema precisará passar por um procedimento de “homing”, que é um movimento para um ponto de referência de ponto de partida conhecido ou para um interruptor de limite para atingir uma posição de referência zero.

• Ideal para: Aplicações que exigem controle de velocidade e medição de comprimento moderado, além de aplicações em que uma sequência de retorno pode ser tolerada. Eles são, em grande parte, mais baratos e de construção menos elaborada.

Em vez disso, os codificadores absolutos oferecem um código digital distinto para cada uma das posições dos eixos. A energia pode ser desligada e ligada e, quando retorna, o codificador volta à sua posição real sem precisar se reinicializar em um ponto de referência. Isso é feito por meio de um disco com um padrão individual que representa cada uma das posições. Até mesmo o número de rotações completas pode ser monitorado por codificadores absolutos multivoltas, o que os torna adequados para trabalhos de posicionamento detalhados.

• Ideal para: Os codificadores absolutos oferecem um código digital distinto para cada uma das posições dos eixos. A energia pode ser desligada e ligada e, quando retorna, leva o codificador de volta à sua posição real sem precisar se redefinir para um ponto de referência. Isso é feito por meio de um disco com um padrão individual que representa cada uma das posições. Até mesmo o número de rotações completas pode ser monitorado por codificadores absolutos multivoltas, o que os torna adequados para trabalhos de posicionamento detalhados.

Tecnologias de codificadores: Óptica, magnética e mecânica

Um segundo detalhe importante que determina o desempenho, a durabilidade e a adequação de um codificador em um ambiente específico é a tecnologia interna usada para detectar o movimento, como os codificadores rotativos ópticos. Essas três tecnologias são óptica, magnética e mecânica.

Os mais populares e amplamente utilizados são chamados de codificadores ópticos e se caracterizam pela alta resolução e precisão. Eles são ativados por uma luz LED que passa por um disco pré-gravado (o disco de código) com um padrão de linhas transparentes e opacas. Um padrão desse tipo é lido por um sensor óptico no lado oposto e convertido em um sinal elétrico digital.

• Benefícios: É o mais preciso e o mais resoluto disponível. Eles formam a referência do setor quando são necessárias aplicações de alta precisão, como no processamento de semicondutores e na metrologia de alta precisão.
• Limitações: Pode haver sensibilidade a choques, vibrações e contaminantes da óptica interna, o que pode causar obstrução do caminho da luz (poeira ou óleo), resultando em erros de sinal, especialmente em ambientes exigentes.

Os codificadores magnéticos oferecem maior robustez e durabilidade. Eles se baseiam em um rotor magnetizado (e em uma série de polos magnéticos, que são detectados por sensores magnéticos (normalmente sensores de efeito Hall ou magnetorresistivos). O rotor gira, e os sensores observam essa mudança do campo magnético e produzem um sinal.

• Benefícios: Muito resistente a choques, vibrações, umidade e poeira. Sua aparência física durável os qualifica para serem usados em ambientes difíceis, como siderúrgicas, equipamentos de construção e uso em lavanderias.
• Limitações: Embora os codificadores magnéticos modernos sejam muito melhores, eles têm resolução e precisão inferiores às dos codificadores ópticos.

Os mais básicos e simples são os codificadores mecânicos (também chamados de codificadores de contato). Eles dependem de alguns contatos físicos e traços condutores em uma placa de circuito impresso para obter a posição. O eixo está girando e os contatos seguem os traços através do circuito, abrindo e fechando um circuito para formar um sinal codificado.

• Vantagens: Baixo custo e design simples.
• Limitações: São suscetíveis ao desgaste mecânico, pois estão fisicamente em contato, portanto, têm vida útil curta e podem ser pouco confiáveis. Eles também sofrem com o ressalto de contato e com a resolução muito baixa, não sendo adequados para o controle de movimentos de precisão.

Escolhendo o codificador certo para sua aplicação

A seleção do codificador ideal requer uma avaliação sistemática das necessidades específicas de sua aplicação. Além dos tipos básicos, é preciso considerar vários parâmetros importantes de desempenho para garantir a funcionalidade e a longevidade ideais.

Aqui estão os fatores práticos para orientar seu processo de seleção:

1. Resolução: É o número de pontos de medição por revolução (para rotativo) ou por unidade de comprimento (para linear). Geralmente é especificado em pulsos por revolução (PPR) para codificadores incrementais ou em bits para codificadores absolutos (por exemplo, um codificador de 12 bits tem 2^12 ou 4.096 posições exclusivas). Uma resolução mais alta permite um controle mais preciso, mas nem sempre é necessária e pode aumentar o custo.
2. Precisão: Não deve ser confundida com resolução, a precisão refere-se à proximidade da saída do codificador com a posição física real. Um codificador de alta resolução não é necessariamente altamente preciso. A precisão é fundamental para aplicações de metrologia e posicionamento de precisão.
3. Ambiente: Considere as condições de operação. O codificador será exposto a poeira, umidade, temperaturas extremas, choques fortes ou vibrações? Um codificador magnético é mais adequado para um chão de fábrica sujo e com muita vibração, enquanto um codificador óptico seria excelente em um ambiente limpo e controlado.
4. Velocidade (RPM): O codificador deve ser capaz de lidar com a velocidade máxima de rotação do eixo de sua aplicação sem perder pulsos ou gerar erros.
5. Requisitos físicos e de montagem: Certifique-se de que as dimensões físicas do codificador, o tamanho do eixo (ou o tamanho do furo para codificadores de eixo oco) e o padrão de montagem se ajustem ao seu projeto mecânico.
6. Tipo de saída: A saída elétrica (por exemplo, HTL, TTL, coletor aberto) deve ser compatível com o seu sistema de controle (PLC, controlador de movimento, etc.).

Tabela de visão geral da seleção de codificadores

Como os codificadores rotativos são usados em robótica e automação

Os codificadores rotativos, nos campos da robótica e da automação industrial, desempenham não apenas um papel de facilitação, mas também de posicionamento e precisão exatos. O maquinário complexo é capaz de executar tarefas que possuem repetibilidade e precisão sobre-humanas devido à sua capacidade de fornecer feedback preciso e em tempo real.

Na robótica industrial, cada uma das juntas em um acionamento de braço robótico de vários eixos tem um codificador absoluto de alta precisão instalado. Quando o controlador instalado no robô instrui a articulação a operar em um determinado ângulo, o codificador fornece o feedback para verificar quando a articulação atingiu esse ângulo específico. Esse controle de feedback e o circuito fechado permitem que o braço trace um caminho programado que pode atingir a precisão de até milímetros necessários em aplicações de soldagem, pintura e pick-and-place. A natureza absoluta dos codificadores também significa que o robô sempre terá conhecimento de sua pose, de modo que, mesmo no caso de um desligamento total, as sequências de recalibração não seriam longas e, provavelmente, perigosas.

Os encoders rotativos formam a espinha dorsal de muitos processos industriais. Os encoders incrementais são acoplados aos motores das esteiras transportadoras e das máquinas de envase em uma linha de engarrafamento de alta velocidade. Eles oferecem feedback de velocidade para que as esteiras funcionem em uma velocidade absolutamente sincronizada, capturando as garrafas e evitando emperramento ou derramamento. Quando se usa uma máquina CNC, os servomotores usados para mover os eixos X, Y e Z têm codificadores para posicionar a ferramenta de corte com um grau extremo de precisão, permitindo que a máquina corte até mesmo formas complexas com tolerâncias quase estritas.

Tipos de codificadores em ciência de dados e aprendizado de máquina

Traduzindo isso para o domínio digital, os codificadores no campo da ciência de dados são usados praticamente para o mesmo fim: converter informações em um formato com o qual um sistema possa interagir. O sistema aqui ou o algoritmo de trabalho é um algoritmo de aprendizado de máquina e a linguagem é a matemática. Diversos modelos de aprendizado de máquina, como regressão linear e redes neurais, trabalham com números como dados. Há uma chance de que todo o conjunto de dados tenha características categóricas, ou seja, será o tipo de produto, a localização geográfica do cliente ou as respostas da pesquisa; o modelo, então, não poderá ser treinado até que seja codificado em números.

O principal objetivo do procedimento de codificação com variáveis categóricas é produzir um valor numérico que retenha as informações contidas nas categorias iniciais sem confundir o algoritmo. Os dois métodos mais populares são:

• Codificação de rótulos: A codificação de rótulos codifica cada categoria com um número inteiro exclusivo. Por exemplo, Vermelho, Verde e Azul podem ser alterados para 0, 1 e 2. Isso é fácil e pode ser problemático. Quando esses números são colocados em um modelo, eles podem cometer o erro de supor que há uma relação ordinal (por exemplo, que Azul > Verde > Vermelho) quando isso não é verdade. O mais importante é que isso seja empregado com as variáveis que têm uma sequência natural (por exemplo, Baixa, Média, Alta).
• Codificação de um ponto: É o método mais seguro e mais popular de variáveis categóricas nominais (não ordenadas). Ele altera uma coluna categórica para várias novas colunas binárias, uma coluna por categoria. Para uma observação individual, uma coluna que representa sua categoria é codificada como 1 e as outras como 0. Isso não encontra o problema da ordem sugerida, mas um grande conjunto de valores (alta dimensionalidade) será produzido se a variável incluir várias categorias.

Além da mera codificação categórica, os autoencoders são uma extensão adicional dessa noção de codificação para extração de recursos e redução de dimensionalidade. Eles constituem uma instância de uma rede neural não supervisionada, que é treinada para recriar sua entrada. O módulo codificador da rede é então treinado para reduzir a representação a uma baixa dimensionalidade esparsa e, portanto, capturar os aspectos mais importantes dos dados. Em seguida, essa representação codificada pode ser inserida em outros modelos de aprendizado de máquina, o que pode produzir um desempenho aprimorado e um treinamento mais rápido.

Por que os codificadores rotativos OMCH são a escolha ideal para aplicações de precisão

No mundo do controle de movimento de precisão, a qualidade dos seus componentes determina a qualidade dos seus resultados. Cada escolha, especialmente a seleção de um dispositivo de feedback, tem um impacto direto sobre a precisão, a confiabilidade e a longevidade do sistema. É por isso que engenheiros e integradores de sistemas exigentes recorrem a uma fonte confiável para suas aplicações mais críticas.

Por que escolher os codificadores rotativos OMCH para seus projetos?

Em termos de escolha dos codificadores rotativos adequados, a OMCH pode ser considerada a melhor quando se trata de qualidade e confiabilidade. Produzimos codificadores rotativos da mais alta qualidade, com alta precisão e durabilidade, adequados a uma variedade de setores e necessidades de automação. Sabemos que, onde você trabalha, não há margem de erro. As práticas de fabricação de qualidade apoiadas pelo controle de qualidade lhe dão a garantia de um desempenho consistente e repetível com cada codificador OMCH. Nossos codificadores são a base confiável do controle de movimento quando você projeta um dispositivo robótico avançado ou aprimora um processo industrial de missão crítica. Visite a OMCH para ver o que temos e encontrar o codificador perfeito para atender às suas necessidades.

Também aplicamos nosso compromisso com nossos produtos aos nossos clientes. Temos assistência especializada que pode ajudá-lo a escolher o codificador adequado, aquele que atende às suas necessidades exatas em termos de resolução, durabilidade e resistência ambiental. Escolher a OMCH não significa apenas comprar uma peça, mas investir em uma parceria comercial com o compromisso de qualidade e seu sucesso final em mente.